Radioastronomía: I+D+I+D en Villafranca y Robledo

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Ricardo Rizzo Caminos
Unidad de Radioastronomía, LAEFF-INTA
 

1. Situación Institucional

La Unidad de Radioastronomía se encuadra dentro de la estructura organizativa del Laboratorio de Astrofísica Espacial y Física Fundamental (LAEFF), creado en 1991, y dependiente de INTA. Gran parte de su actividad se estructura alrededor de dos convenios internacionales suscritos con NASA, referidos al uso radioastronómico de sus antenas de Espacio Profundo (Deep Space Network, DSN), tanto en investigación científica como en difusión de la ciencia.

Por ello, la Unidad trabaja en estrecha colaboración con la Estación Espacial de Robledo de Chavela (Madrid Deep Space Communication Complex, MDSCC) y con su homólogo en EE. UU. (Jet Propulsion Laboratory, JPL).

2. Investigación Científica

Las técnicas radioastronómicas son la principal, pero no exclusiva, herramienta a utilizar por el grupo de investigación. La mayoría de los datos utilizados provienen de observaciones propias realizadas en radiotelescopios de todo el mundo, utilizados como antena simple (MPIfR en Bonn, SMT en Arizona, CSO y JCMT en Hawai, APEX en Chile, IRAM en Granada, MDSCC en Robledo, entre otros) y como interferómetros (IRAM en Francia, VLA y CARMA en EE. UU.). El tiempo de telescopio requerido se obtiene, normalmente, por concurso internacional con sistema de revisión por pares.

Existe una interesante variedad de escenarios astronómicos que pueden ser especialmente analizados mediante la radioastronomía. Utilizando radiotelescopios que operan en longitudes de onda que van desde decenas de cm hasta fracciones de mm, es posible conocer la dinámica, la masa, la composición química, las condiciones físicas y los procesos dominantes en ambientes tan variados como, por ejemplo, el medio interestelar difuso, las nubes moleculares, las protoestrellas, nebulosas, regiones HII, e incluso galaxias externas. Además de la física del medio interestelar, los procesos químicos dominantes en estos mismos ambientes también pueden ser determinados mediante las observaciones y posterior modelización de diferentes especies químicas, tales como hidrocarburos, radicales, iones reactivos, y otras moléculas más estables en la Tierra, como el CO, el amoníaco o el agua.

A modo de ejemplo, la figura 1 muestra un resultado recientemente publicado por el grupo [Rizzo 2008]. Se han trazado sendos mapas en transiciones mm y sub-mm de CO y ¹³CO alrededor de una nebulosa en forma de anillo, creada a su vez por una estrella evolucionada de gran masa. Con el objetivo de conocer en profundidad la forma en que interactúa el viento estelar, los eventos de pérdida de masa, y la radiación UV de este tipo de estrellas, se ha realizado un análisis morfológico y dinámico del gas molecular, detectando por primera vez varios rasgos en objetos de este tipo. Se ha demostrado la supervivencia del gas molecular a distancias relativamente próximas a la estrella, la presencia de frentes de choque y sus consecuentes capas de gas alrededor de la nebulosa. Se han determinado varios parámetros físicos, y predicho la formación de otras especies moleculares más complejas. Actualmente (aún en fase de análisis) se está verificando la estratificación propuesta para la emisión del gas y el polvo, probablemente debido a diferentes eventos de pérdida de masa provenientes de la estrella en un pasado reciente (inferior a 20.000 años).

Figura 1. Mapas de CO y ¹³CO alrededor la nebulosa LBV G79.29+0.46 [Rizzo 2008], en diferentes rangos de velocidad. El gas molecular se localiza mayoritariamente alrededor de la nebulosa infrarroja, y está siendo afectado por la estrella, tal como lo muestran los modelos y la presencia de frentes de choque.

La Unidad de Radioastronomía mantiene una activa colaboración con varios grupos nacionales (Universidad de Barcelona, Observatorio Astronómico Nacional, Instituto de Astrofísica de Canarias, Instituto de Astrofísica de Andalucía) e internacionales (Arizona, Bonn, Niza, ESO, NRAO, JACH, IRAM, IAR, entre otros). Asimismo, forma parte de varios consorcios y redes de investigación, tales como ASTRID, RadioNet, DSN-RA, o GiRA.

3. “Host Country” en Robledo

Las antenas del MDSCC (figura 2) son utilizadas como radiotelescopios durante una fracción de su tiempo operativo. Gracias a un convenio internacional entre NASA e INTA, el LAEFF tiene a su cargo la gestión y administración del tiempo, y la ejecución de las observaciones radioastronómicas en todas las antenas en las que se solicite tiempo mediante una propuesta científica. Este tiempo de uso exclusivo de antenas de DSN se conoce como Host Country.

Figura 2. Vista general del MDSCC, en Robledo de Chavela.

La antena DSS-63, de 70 m de diámetro (figura 3), es el mayor instrumento astronómico instalado en suelo español. Hasta finales de 2007, casi todas las observaciones de Host Country en MDSCC se han realizado utilizando esta antena. Las principales transiciones moleculares observadas son las correspondientes al amoníaco (entre 23.7 y 24.1 GHz), al máser de agua (22.0 GHz), y a CCS (22.3 GHz). Los proyectos observacionales que se desarrollan con DSS-63 están relacionados con: (a) la emisión circumestelar de gas molecular y de máseres de agua en protoestrellas de baja masa; (b) la detección de máseres de agua en nebulosas planetarias y post-AGBs; (c) la emisión del gas molecular en nubes oscuras sin formación estelar manifiesta; (d) el impacto de las estrellas masivas evolucionadas (LBV, W-R) sobre su medio circundante, y posterior evolución química.

Figura 3. La antena DSS-63, la mayor del complejo, está actualmente equipada con un receptor de banda K que permite los estudios espectroscópicos de algunas moléculas de especial relevancia en la formación y evolución estelar, como el amoníaco y el agua.

La figura 4 muestra un espectro obtenido con la antena DSS-63, en la línea de 22 GHz del agua. Esta emisión máser proviene de una estrella similar al Sol, pero en las etapas finales de su vida. En esta breve etapa los fenómenos de pérdida de masa dejan de ser esféricos, y generan estas verdaderas “fuentes de agua”, a velocidades superiores a 100 km/s.

Figura 4. Máser de agua detectado con la antena DSS-63.

Entre diciembre de 2007 y junio de 2008, dos grandes hitos fueron alcanzados en lo relativo a las observaciones de Host Country: la utilización de backends WVSR como espectrógrafos alternativos (con una mayor versatilidad y ancho de banda que el actual espectrógrafo), y la instalación de un receptor de banda Q en la antena DSS-54. La figura 5 muestra la detección de HC₅N J = 12 – 11 en dirección a IRC+10216, una estrella de carbón conocida por su riqueza en especies químicas. Dicho espectro ha sido obtenido utilizando la antena DSS-55, a una frecuencia de 32 GHz.

Figura 5. Detección de HC₅N, utilizando la antena DSS-55 y el analizador WVSR.

El receptor de banda Q (40 a 50 GHz) analizará una banda especialmente rica en transiciones moleculares de baja excitación, así como en varios máseres de SiO y de metanol. De este modo, se podrán observar trazadores de choques, de densidad, y una variada cantidad de especies químicas, incluyendo iones reactivos, cianuros, moléculas deuteradas, cadenas carbonadas, etc. Las regiones susceptibles de estos estudios serán las regiones de formación estelar de baja y alta masa, PDRs, nebulosas, estrellas evolucionadas, y núcleos de galaxias externas. En el momento de redacción de este artículo, se avanza en las etapas de pruebas, análisis y desarrollo de software, aunque un primer espectro obtenido recientemente puede verse en la figura 6.

Figura 6. Primera detección obtenida con el nuevo receptor de banda Q, en la antena DSS-54. El espectro corresponde a un máser de SiO en torno a la estrella R Leo. 

Con esta nueva instrumentación, las capacidades observacionales de Host Country en MDSCC se verán multiplicadas hacia finales de 2008. La siguiente tabla sintetiza las principales características técnicas de la instrumentación disponible a partir de entonces.

Antena			DSS-63	DSS-55	DSS-54
Diámetro			70 m	34 m	34 m
Montura			Az – Elv	Az – Elv	Az – Elv
Ubicación receptores			Foco Primario	Beam Waveguide	Beam Waveguide
HPBW			42” @ 22 GHz	50” @ 32 GHz	40” @ 49 GHz
Precisión apuntado			4”	3”	3”
rms superficie			0.08 cm	0.03 cm	0.03 cm
Velocidad			0.25 º/s	0.8 º/s	0.8 º/s
Continuo			Sí	Sí	Sí
Espectroscopia			Sí	Sí	Sí
Receptor Principal	Banda	K: 18 a 26 GHz		Ka: 32.05 GHz	Q: 38.2 a 49.5 GHz
	Sensibilidad	0.7 K/Jy		0.5 K/Jy	0.13 K/Jy
	Tsys	50 K		40 K	58 K
Otros Receptores (GHz)			L (1.6); X (8.4)	S (2.2); X (8.4)	S (2.2); X (8.4)
Ancho de banda			Entre 2 y 500 MHz (entre 27 y 4600 km/s)
Resolución espectral			Entre 2 y 490 kHz (entre 0.024 y 5 km/s)

4. Difusión de la Ciencia

El grupo dedica una importante cantidad de recursos humanos y materiales a las actividades de difusión de la ciencia y divulgación de la astronomía. PARTNeR (Proyecto Académico con un Radio Telescopio de NASA en Robledo) se ha consolidado como un referente en este sentido, desde el año 2003. Sus principales actividades son las observaciones radioastronómicas en remoto utilizando la antena DSS-61 de MDSCC. Desde el Centro de Visitantes de MDSCC, ha desarrollado varias ediciones de los Talleres de Astronomía, y cursos de formación de profesores. El radiotelescopio también es utilizado en las actividades prácticas de varias universidades españolas. Participa, además, de eventos nacionales y regionales de difusión de la ciencia, tales como la Semana de la Ciencia o la Feria “Madrid es Ciencia”.

Figura 7. Un estudiante dicta una charla al público en el stand de PARTNeR.

5. Desarrollo

Tal como lo muestra la sección anterior, el carácter transversal de las actividades del grupo estimula el desarrollo de hardware y software para su utilización en radioastronomía. Las amplias prestaciones que brindará el nuevo receptor en banda Q deben ser acompañadas por analizadores espectrales eficientes, rápidos y versátiles. Por lo tanto, se planea el diseño y la construcción de dos espectrógrafos de Fourier (FFTS), con 32000 canales cada uno, capaces de proveer resoluciones espectrales de 10 kHz y/o anchos de banda cercanos a 100 MHz. Se utilizarán desde cualquiera de las antenas de MDSCC, por cuanto no estaría relacionado a un instrumento específico. Este proyecto está en una fase preliminar, y se espera avanzar a lo largo de 2008 en su diseño conceptual definitivo.

En conexión con las universidades, PARTNeR también permite una interesante actividad de desarrollo. Recientemente se ha desarrollado un software de control y de observación de la antena DSS-61, completamente nuevo, en el marco de un Proyecto Fin de Carrera [Pérez Cano 2008]. Este software, de inminente implementación, permite la conexión remota a MDSCC, la operación de la antena por parte de los usuarios de PARTNeR, y el control de recursos por parte de los miembros del proyecto. En la figura 8 se aprecia la ventana principal de dicho software.

Figura 8. Ventana principal del nuevo software de control de la antena DSS-61.

6. Reflexión final

Las actividades que desarrolla la Unidad de Radioastronomía del LAEFF abarcan varias líneas de acción y de interacción entre científicos, tecnólogos y divulgadores. El grupo da respuesta a dos convenios internacionales suscriptos con NASA, que afectan a las observaciones radioastronómicas y a la difusión de la astronomía. Se beneficia también de la explotación científica de las observaciones en MDSCC, y de proyectos propios en varios observatorios en el mundo. Con sus colaboradores naturales de MDSCC y JPL, ayuda al desarrollo y la puesta a punto de nueva instrumentación. El año 2008 se presenta como un año especial en este sentido, con la incorporación de una nueva banda de trabajo, mucho más prolífica en líneas espectrales y con más posibilidades de realizar estudios químicos y físicos. Los pasos siguientes están relacionados con el desarrollo de software de reducción en tiempo casi real de las observaciones realizadas, y el diseño de nuevos analizadores espectrales capaces de dar respuesta a las capacidades de las antenas de MDSCC.

Referencias

Páginas web:

LAEFF: http://www.laeff.inta.es/

Unidad de Radioastronomía: http://www.laeff.inta.es/radio/

MDSCC: http://www.mdscc.org

DSN: http://rapweb.jpl.nasa.gov

PARTNeR: http://www.laeff.inta.es/partner/

Referencias bibliográficas:

Pérez Cano J. S.: “Diseño y Desarrollo de software para la antena DSS-61”, Proyecto Fin de Carrera, Universidad Miguel Hernández, año 2008

Rizzo J. R., Jiménez-Esteban F. M.,: “Discovery of warm and dense molecular gas surrounding the ring nebula G79.29+0.46”, Astrophysical Journal, vol. 681, p. 355, año 2008

Agradecimientos

Una parte importante de los resultados indicados en este artículo es fruto del trabajo (aún no publicado) de varios miembros de MDSCC (Cristina García Miró, Manuel Vázquez, Esther Moll), JPL (Thomas Kuiper, Manuel Franco, Larry Titelbaum, Watt Veruttipong) y LAEFF (Aina Palau, Santiago Pérez Cano, José Ángel Vaquerizo Gallego).